变频器功率模块温度控制方法和控制装置与流程

本发明涉及变频压缩机控制技术领域，具体而言，涉及一种变频器功率模块温度控制方法和控制装置。

背景技术：

在目前的变频空调，会用到功率模块IPM，其作用是在输入控制信号的作用下将直流电源转换成交流电源加载到压缩机或者电机等被控对象上，驱动压缩机或者电机运转，并通过改变施加到压缩机或者电机上的交流电源的频率，实现对压缩机或者电机转速的自动控制。由于这种智能功率模块往往工作在大电流和高温下，从而使得其在长时间的运行过程中容易发生过热损坏等故障。

目前，解决智能功率模块过热损坏最常见的方法是：在智能功率模块内部植入热敏电阻，根据热敏电阻的阻值变化定时检测出智能功率模块的内部温度Tc，然后将检测到的温度Tc发送给控制芯片或者控制电路等控制端，控制端根据接收到的温度Tc的大小判断是否执行保护检出动作，并在温度Tc超过安全温度值时，通过控制系统停止运转来限制温度Tc的升高，达到对智能功率模块过热保护的目的。

采用这种保护措施，一旦智能功率模块的内部温度Tc过高导致系统执行保护检出动作时，往往造成系统运转的不连贯，降低了用户感受。

在申请号为201310404618.X，发明名称为一种智能功率模块的温度控制方法及变频设备的中国发明专利申请中，公开了一种智能功率模块的温度控制方法及变频设备，该方法过程如下：检测智能功率模块的内部温度Tc，并在所述温度Tc接近设定的安全阈值Tmax时，控制智能功率模块的输出频率降低或者维持当前频率，以限制智能功率模块的温升。该发明通过控制智能功率模块在其内部温度达到保护检出温度前进行禁升频或者降频动作，从而可以将智能功率模块的温度始终控制在安全范围内而不进行保护检出，在保证智能功率模块在安全可靠的温度下稳定运行的同时，也确保了系统运行的连贯性，提高了变频家电用户使用的舒适性。

在申请号为201610120747.X，发明名称为一种变频空调功率模块温升控制方法的中国发明专利申请中，公开了一种变频空调功率模块温升控制方法，包括以下步骤：(1)实时检测室外环境温度并进行判断，当所述室外环境温度大于第二预设阈值T2时，执行温升控制步骤；(2)将压缩机的最大运行频率更新为压缩机允许运行的最大频率。本发明的变频空调功率模块温升控制方法，首先根据室外环温的大小进行判定是否允许进入功率模块温升控制模式，然后对交流电压进行采样，计算当前交流电压下压缩机允许运行的最大频率，将压缩机最大运行频率限定在该允许运行的最大频率下，以防止由于压缩机运行频率过大加剧功率模块的升温，确保功率模块的温度限制在安全运行范围内，以保障功率模块的寿命以及空调正常运行。

这两个专利申请都是通过检测温度信号来调整频率，使得功率模块的温度控制在一定范围之内，只是其温度信号采集不一样，对于频率的调增策略也不一样。但是具体分析来看，其第一种方法存在需要加设功率模块温度传感器的问题，第二种方法对于电子膨胀阀的动作没有考虑，单单根据室外温度信号来调整频率，控制也不够精确。总的来说，其采用温度信号作为输入而最终控制温度。采用这种控制方式时，一旦功率模块的内部温度过高导致系统执行保护检出动作时，往往造成系统运转的不连贯，降低了用户使用感受。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种变频器功率模块温度控制方法和控制装置，能够有效避免功率模块的内部温度过高而导致系统执行保护检出动作，使得系统可以安全稳定运行。

根据本发明的一个方面，提供了一种变频器功率模块温度控制方法，包括：检测室外环境温度；根据室外环境温度确定功率模块的最大允许运行电流；检测功率模块的实际运行电流，并对实际运行电流进行调节，使实际运行电流运行在最大允许运行电流范围内。

优选地，检测功率模块的实际运行电流，并对实际运行电流进行调节，使实际运行电流运行在最大允许运行电流范围内的步骤包括：当实际运行电流小于或等于最大允许运行电流时，使功率模块保持当前电流运行。

优选地，检测功率模块的实际运行电流，并对实际运行电流进行调节，使实际运行电流运行在最大允许运行电流范围内的步骤还包括：当实际运行电流大于最大允许运行电流时，对功率模块的运行电流进行调节，使其运行至最大允许运行电流以内。

优选地，对实际运行电流进行调节的步骤包括：计算实际运行电流与最大允许运行电流之间的差值；根据该差值对实际运行电流进行降电流调节；检测调节后的实际运行电流；将调节后的实际运行电流与最大允许运行电流进行比较，判断实际运行电流是否位于最大允许运行电流范围内。

优选地，根据室外环境温度确定功率模块的最大允许运行电流的步骤包括：

通过如下公式确定功率模块温度与运行电流之间的关系：

其中T为功率模块温度，Tw为室外环境温度；m为功率模块质量，c为功率模块的比热容，k为换热系数，A为换热面积，U为工作电压，I为功率模块的运行电流，C为系数，t为时间；

根据上述公式结合功率模块的温度特性、外风机转速以及模块运行老化系数确定功率模块的最大允许运行电流，其中模块运行老化系数可以通过模块老化试验获得。

根据本发明的另一方面，提供了一种变频器功率模块温度控制装置，包括：室外温度传感器，用于检测室外环境温度；功率模块，用于控制变频压缩机的运行频率；电流检测模块，电连接至功率模块，用于检测功率模块上的实际运行电流；温度控制换算单元，电连接至室外温度传感器，根据室外环境温度确定功率模块的最大允许运行电流；电流比较器，分别电连接至电流检测模块和温度控制换算单元，并比较实际运行电流和最大允许运行电流。

优选地，温度控制换算单元内预存有多个不同型号的功率模块的最大允许运行电流。

本发明的变频器功率模块温度控制方法，包括：检测室外环境温度；根据室外环境温度确定功率模块的最大允许运行电流；检测功率模块的实际运行电流，并对实际运行电流进行调节，使实际运行电流运行在最大允许运行电流范围内。本发明的变频器功率模块温度控制方法，能够通过控制功率模块的运行电流对功率模块的温度进行控制，相当于在功率模块的温度控制中加入了一个前馈控制，在功率模块工作过程中，能够对功率模块的温度飙升进行提前预警和判断，避免功率模块的温度超出安全温度范围，使得功率模块始终运行在安全温度范围内，保证压缩机系统的安全稳定运行。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例的变频器功率模块温度控制方法的控制原理图；

图2是本发明实施例的变频器功率模块温度控制方法流程图；

图3是本发明实施例的变频器功率模块温度控制装置的结构图；

图4是本发明实施例的对功率模块温度控制效果与常规方案控制效果对比示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法、产品等而言，由于其与实施例公开的方法部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

结合参见图1和图2所示，根据本发明的实施例，变频器功率模块温度控制方法包括：检测室外环境温度；根据室外环境温度确定功率模块的最大允许运行电流；检测功率模块的实际运行电流，并对实际运行电流进行调节，使实际运行电流运行在最大允许运行电流范围内。

本发明的变频器功率模块温度控制方法，能够通过控制功率模块的运行电流对功率模块的温度进行控制，相当于在功率模块的温度控制中加入了一个前馈控制，在功率模块工作过程中，能够对功率模块的温度飙升进行提前预警和判断，避免功率模块的温度超出安全温度范围，使得功率模块始终运行在安全温度范围内，保证压缩机系统的安全稳定运行。由于该方案中的最大允许运行电流与室外环境温度相关，因此该控制方法同时采用了温度和电流两个信号单元对功率模块的温度进行控制，可以结合室外环境温度和功率模块电流不同的信号特性，实现对功率模块的更佳温度控制效果。

当功率模块的最大允许运行电流确定之后，就可以根据该最大允许运行电流对功率模块的运行电流进行控制，进而实现对压缩机运行频率的控制，使得压缩机始终运行在安全状态下，不会发生变频器功率模块温度过高的问题。

检测功率模块的实际运行电流，并对实际运行电流进行调节，使实际运行电流运行在最大允许运行电流范围内的步骤包括：当实际运行电流小于或等于最大允许运行电流时，使功率模块保持当前电流运行。当实际运行电流小于或等于最大允许运行电流时，说明功率模块的温度不会超出安全温度范围，因此无需对功率模块的运行电流进行调节，直接使功率模块运行在当前电流，然后确定合适的压缩机运行频率，就可以保证空调器等具有较高的工作能效。

检测功率模块的实际运行电流，并对实际运行电流进行调节，使实际运行电流运行在最大允许运行电流范围内的步骤还包括：当实际运行电流大于最大允许运行电流时，对功率模块的运行电流进行调节，使其运行至最大允许运行电流以内。当实际运行电流大于最大允许运行电流时，随着功率模块的运行时间的增加，必然会导致功率模块的温度超出安全温度范围，因此，在检测到实际运行电流大于最大允许运行电流时，就及时对实际运行电流进行调节，使其运行在最大允许运行电流范围内时，就可以避免功率模块的温度持续上升，使得功率模块的温度可以保持在安全温度范围内，无需进行检出动作，提高压缩机运行的连续性。

对功率模块的实际运行电流进行调节的过程包括：计算实际运行电流与最大允许运行电流之间的差值；根据该差值对实际运行电流进行降电流调节；检测调节后的实际运行电流；将调节后的实际运行电流与最大允许运行电流进行比较，判断实际运行电流是否位于最大允许运行电流范围内。

通过在控制方案中加入一个电流信号的负反馈调节，能够结合电流信号响应速度快的优势，实现对压缩机频率控制的快速及时调节，当根据电流的反馈信号对功率模块的运行电流调节之后，如果运行电流调节到最大允许运行电流范围内，则保持目前运行状态，如果仍然未调节到最大允许运行电流范围内，则继续根据电流差值对功率模块的电流进行调节，直至功率模块上的运行电流调节到最大允许运行电流范围内。

上述的控制方法不需要对功率模块本身的温度进行检测，因此无需设置检测功率模块温度的温度传感器，简化了系统。

室外温度加电流值同样也是为了反映模块板的温度情况，但是与直接检测模块板温度相比，更有优势，控制方案更好。具体原因如下：

电流信号的引入，等于对功率模块温度的控制加入了一个前馈控制；这是因为功率模块的温度就是由室外温度和功率模块的电流决定的，而温度具有较大的时滞特性，电流的反馈要更灵敏和更快。假如检测到温度超过安全温度后再降频，虽然降频了，但是受温度惯性的影响，功率模块还是会继续上升并超过安全温度较多才会下降。而直接根据室外温度和功率模块的电流对功率模块的温度进行控制，就能够避免功率模块的温度超过安全温度，或者是即使超过，也能够将其控制在允许范围内。

与直接采用温度信号的PD或者PID调节相比，温度信号精度基本在0.5摄氏度到1.0摄氏度，而电流信号的精度可以达到0.1A或0.2A，控制精度更高，调节也更迅速。

根据室外环境温度确定功率模块的最大允许运行电流的步骤包括：

通过如下公式确定功率模块温度与运行电流之间的关系：

其中T为功率模块温度，Tw为室外环境温度；m为功率模块质量，c为功率模块的比热容，k为换热系数，A为换热面积，U为工作电压，I为功率模块的运行电流，C为系数，t为时间；

根据上述公式结合功率模块的温度特性、外风机转速以及模块运行老化系数确定功率模块的最大允许运行电流，其中模块运行老化系数可以通过模块老化试验获得。

在实际的应用过程中，可以事先形成一个数据库，在获取数据库内的数据时，可以通过上述公式结合功率模块厂家提供的模块温度特性、散热块规格尺寸、外风机转速、模块运行老化及实验经验等各种因素来进行计算，然后可以根据相应的功率模块型号来将各个功率模块在不同参数下所所对应的最大允许运行电流预存在数据库内，在对压缩机频率进行调节时，就可以根据功率模块型号以及相应的参数直接调用出对应室外环境温度的功率模块最大允许运行电流，进而保证功率模块运行在允许电流以内。

结合参见图4所示，其中曲线1为现有技术中采用温度检测对功率模块温度进行控制时的控制曲线图，从图中可以看出，当仅采用温度作为功率模块温度控制的参数时，功率模块的温度会有一个持续上升期，也即当检测到功率模块温度达到安全温度阀值时，由于温度惯性的影响，功率模块的温度仍然会持续上升一段时间之后才会下降，导致功率模块的温度会运行在安全温度阀值之外较长一段时间，甚至可能导致系统执行保护检出，不仅容易造成功率模块使用寿命下降，而且会导致系统运转不连贯，降低用户的使用感受。曲线2为采用本发明的控制方法对变频器功率模块进行温控之后的时间-温度曲线图，采用本发明的控制方法之后，对压缩机频率进行控制的信号不是一个单一的信号，而是综合了温度信号和电流信号，能够实现对频率控制的快速及时反馈，在功率模块温度达到安全温度阀值之前就会对功率模块的运行参数进行调节，使得功率模块的温度从根本上无法达到安全温度阀值或者超出安全温度阀值过多，从而使得功率模块的温度变化平稳，且始终保持在安全温度阀值附件，保证了系统的稳定持续运行。

有关电流信号可以看成是温度信号对时间的微分的证明，具体如下：

微元时间内，模块板的能量守恒公式为

cmdT＝UIdt+kA(Tw-T)dt

公式中，T为功率模块温度，Tw为环境温度；m为功率模块质量，c为功率模块的比热容，k为换热系数，A为换热面积。

移项后，公式变为

此方程为一阶线性非齐次微分方程，即

其齐次方程的通解为：

其中，C为系数。

此非齐次方程的通解变为：

即：

由此可见，在对T的控制中，通过Tw和I的组合，实际加入了对T的微分控制，使得调节更迅速，有效的避免了超调的情况发生。

结合参见图3所示，根据本发明的实施例，变频器功率模块温度控制装置包括：室外温度传感器，用于检测室外环境温度；功率模块，用于控制变频压缩机的运行频率；电流检测模块，电连接至功率模块，用于检测功率模块上的实际运行电流；温度控制换算单元，电连接至室外温度传感器，根据室外环境温度确定功率模块的最大允许运行电流；电流比较器，分别电连接至电流检测模块和温度控制换算单元，并比较实际运行电流和最大允许运行电流。

温度控制换算单元内预存有多个不同型号的功率模块的最大允许运行电流。在温度控制换算单元中预存有多个不同型号的功率模块的最大允许运行电流，在进行功率模块的温度控制时可以直接调用相关数据，减少温度控制过程中控制器的计算量，提高控制效率。比如，检测到A型号的机器，此功率模块为X厂家供货，在Tw室外温度下，控制最大电流为I1；当更换厂家或者机器不同，同样在Tw室外温度下，控制最大电流可能对应为I2。如此，可以大大提高控制的灵活性和精确性。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。